Réalisation d'un microscope à centre NV pour la détection des ondes de spins

Realization of a NV center microscope for the detection of spin waves

• Auteur / Autrice : Eric Clot
• Direction : Olivier Klein
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Nanophysique
• Date : Inscription en doctorat le 24/09/2020
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Spintronique et Technologie des Composants

Mots clés

Mots clés libres

Magnonique

Centre NV

Optique

Ondes de Spin

Dynamique non-linéaire

Spectroscopie

Magnonic

NV center

Optics

Spinwaves

Nonlinear dynamics

Spectroscopy

Résumé

L'objectif de ce travail de thèse sera de réaliser une spectroscopie locale d'ondes de spin paramétriquement excitées à l'aide d'un microscope à centre NV. Les excitations collectives de spin à l'intérieur d'un matériau magnétique fournissent une signature spectroscopique unique sur la nature du matériau ainsi que sur la texture magnétique présente à l'intérieur. Jusqu'à présent, cette signature est encore incomplète car la plupart des modes propres restent non détectés en raison des difficultés à les exciter ou à les détecter par leur absence de recouvrement avec des quantités moyennées spatialement. Pour contourner toute règle de sélection, notre projet sera de détecter des ondes de spin paramétriquement excitées à l'aide d'une détection locale. La possibilité de sonder localement la dynamique de l'aimantation dans une nanostructure ou une texture de spin individuelle est encore très difficile expérimentalement et ce projet doit permettre de répondre à ce problème. Ce projet est basé sur le développement en interne d'un microscope à centre NV. Cet instrument utilise la mesure de photoluminescence de la résonance paramagnétique d'un centre coloré unique dans un cristal de diamant. Le centre coloré est constitué d'un atome d'azote couplé à une vacance dont l'état fondamental électronique est un spin s = 1. Lorsque ce défaut est balayé sur une surface par un microscope en champ proche, la mesure de la perturbation de son temps de relaxation permet de cartographier avec précision nanométrique la présence de fluctuations à la fréquence de Larmor sans perturber l'échantillon. Nous appliquerons cette technique pour caractériser la nature d'une hétérogénéité magnétique individuelle qui peut être soit une texture magnétique à l'équilibre (défaut, skyrmion, vortex ou paroi de domaine) soit une texture magnétique dynamique (mode auto-localisé, type soliton). Le candidat bénéficiera de l'expertise de SPINTEC en magnonique et de l'expertise de l'Institut Néel en NV-centres. Le candidat travaillera sur un microscope NV-center fait maison effectuant une spectroscopie jusqu'à 20 GHz à température ambiante dans un électroaimant 1.6T.

The objective of this PhD work will be to perform a local spectroscopy of parametrically excited spin-waves using a Nitrogen-Vacancy microscope. Collective spin excitations inside a magnet provide a unique spectroscopic signature on the nature of the magnetic material as well as the magnetic texture present inside. So far, this signature is still uncomplete because most of the spin-wave eigen-modes remain undetected due to the difficulties to either excite or detect them owing to their lack of overlap with spatially averaged quantities. To circumvent any selection rule our project will be to detect parametrically excited spin-waves using a local detection. The possibility of locally probing the dynamics of magnetization in a nanostructure or an individual spin texture is still very difficult experimentally and this project must make it possible to answer this problem. This project is based on the in-house development of an NV center microscope. This instrument uses the photoluminescence measurement of the paramagnetic resonance of a single colored center in a diamond crystal. The colored center consists of a nitrogen atom coupled to a vacancy whose electronic ground state is a spin s = 1. When this defect is swept over a surface by a near-field microscope, the measurement of the disturbance of its relaxation time makes it possible to map with nm precision the presence of fluctuators at the Larmor frequency without disturbing the sample. We shall apply this technique to characterize the nature of an individual magnetic heterogeneity which can be either a magnetic texture at equilibrium (defect, skyrmion, vortex, or domain wall) or a dynamic magnetic texture (self-localized mode, soliton type). The candidate will benefit from the expertise of SPINTEC in magnonics and the expertise of the Institut Néel in NV-centers . The candidate will work on a home-made NV-center microscope performing spectroscopy up to 20GHz at room temperature in 1.6T electromagnet.